NUEVA FILOSOFIA EN PROYECTOS DE SUBESTACIONES ELECTRICAS BASADAS EN LA NORMA IEC (1)Intekia

Transcripción

1 1 NUEVA FILOSOFIA EN PROYECTOS DE SUBESTACIONES ELECTRICAS BASADAS EN LA NORMA IEC61850 Ricardo Orgaz(p)(1), Vidal Ortega (1) (1)Intekia SUMMARY The following report describes briefly the proposals, objectives and the extent of the IEC61850 Normative, by doing a short story about it and its relationship with the UCA proposal. Definition of the Protection functions by using logical nodes which consist of data which represent some specific applications. Level division of the different application functions, which make up a SAS (Substation Automation System) such as: Supervision and Control, Protection, Monitoring, Communication Supervision and the interrelations and communications among the different functions. Communications architecture of the system and definition of the system interfaces among the different logical nodes. Programming of the different applications with independence of the protocols to be used, data modelling and services in three levels. Utilization of descriptive languages based in XML to define both the capabilities of one element and the necessary data of its position and function in the single line diagram. Describe different types of substations indicating in each case its structure of communication buses, interfaces and functions used and the more frequent logic nodes on them. Engineering requirements, since the parameters that take part in the system until the engineering tools to automate the designing process of substations. Such as: Project designing tools, setting tools and configuration tools. RESUMEN La presente ponencia, describe brevemente, los propósito, objetivos y alcances de la norma IEC61850, haciendo una pequeña historia de la misma y de su relación con la propuesta UCA. Definición de las funciones de protección utilizando nodos lógicos que se componen a su vez por datos, que representan alguna aplicación especifica. División en niveles de las diferentes funciones de aplicación que componen un SAS (Subestation Automation System) tales como : Supervisión y control, protección, monitorización, supervisión de las comunicaciones, y sus interrelaciones y comunicaciones entre estas diferentes funciones. Arquitectura de comunicaciones del sistema y definición de los interfaces del sistema entre los distintos nodos lógicos. Utilización de lenguajes descriptivos basados en XML para definir tanto las capacidades de un elemento como los datos necesarios de su posición y función dentro del unifilar. 1023

2 2 Describir diferentes tipos de subestaciones indicando en cada caso su estructura de buses de comunicaciones, interfases y funciones usados y los nodos lógicos mas frecuentes en ellas. Requerimientos de ingeniería, desde los parámetros que intervienen en el sistema hasta las herramientas de ingeniería para automatizar el proceso de diseño de subestaciones. Tales como : Herramientas de diseño de proyecto, herramientas de parametrización y herramientas de configuración. 1. INTRODUCCIÓN La arquitectura de protección y control de una subestación actual (Ver figura1 ) difiere sustancialmente de la arquitectura de una subestación clásica por la aparición de los equipos programables de protección y control de cada posición así como por el equipo que realiza las labores de SCADA local y enlace con el telemando y por las comunicaciones establecidas entre ellos. Esto ha condicionado también la realización de los proyectos de ingeniería dando paso, junto a los esquemas unifilares y desarrollados tradicionales, a la definición de las funciones lógicas realizadas por los nuevos equipos, la definición de las redes de comunicaciones, protocolos de comunicaciones empleados, etc. Hasta ahora los fabricante de equipos de protección y control han desarrollado sus equipos, organizando sus funciones y empleando los protocolos de comunicaciones de una manera no coordinada, lo que genera tanto a la hora del proyecto como a la hora de la explotación de la instalación problemas de integración de equipos de diferentes fabricantes. Impresora Ethernet HMI Local Telemando GPS Unidad Central de Subestación Concentrador Concentrador Concentrador Figura 1. Subestación actual El propósito durante muchos años ha sido definir una arquitectura de comunicaciones que permitiera una integración sin costuras de los s (Inteligent Electronic Device) dentro de elementos de mas alto nivel. Una infraestructura que sea independiente del fabricante y que permita a elementos de varios fabricantes ser integrados conjuntamente. Con este fin en 1994 la EPRI y la IEEE comienzan a trabajar, dentro del proyecto UCA (Utility Communications Architecture) en la definición de una arquitectura de comunicaciones para el bus de comunicaciones de la subestación. 1024

3 3 En 1996 el Comité técnico 57 de la IEC comienza a trabajar con el mismo objetivo en la IEC61850 y en 1997 los dos grupos acuerdan trabajar juntos en la consecución de un estándar internacional cuyo resultado es la actual norma IEC El objetivo de la norma IEC61850 es combinar s de los diferentes fabricantes, no solo buscando interoperabilidad entre funciones y elementos sino un manejo uniforme de todo el sistema y la harmonización de las propiedades generales del sistema. Por este motivo la norma no solo cubre los aspectos de comunicaciones si no también las características de las herramientas de ingeniería, indicadores para la gestión de la calidad, y gestión de la configuración. 2.ARQUITECTURA DE SUBESTACIÓN SEGÚN IEC61850 o General La norma IEC61850 trata de definir el bus de comunicaciones de la subestación teniendo principalmente los siguientes objetivos : - Que datos están disponibles y como son nombrados y descritos - Como pueden estos datos ser accedidos e intercambiados - Como se conectan los elementos a las redes de comunicaciones A diferencia de la utilización de protocolos de comunicación estándar (DNP3.0, etc) donde los datos del emisor son traducidos según el lenguaje del protocolo y es necesario, que en el receptor se conozcan las mismas claves para volverlo a traducir (existiendo una perdida de contexto) en la norma IEC61850 los datos a transmitir se dividen en grupos lógicos y cada uno de ellos a su vez se dividen en Nodos Lógicos, de tal forma que todos los datos que puedan generarse en la subestación queden encuadrados en uno de estos grupos o Funciones y nodos lógicos Las funciones son tareas que se realizan dentro de un esquema de protección y control y pueden ser realizadas mediante la intercomunicación de varios nodos lógicos que a su vez pueden residir en diferentes equipos físicamente. El emplazamiento de funciones en elementos y niveles de control no es fija y depende de diversas consideraciones como : Disponibilidad, costes, estado del arte, criterios de las compañías, etc. Por lo tanto el sistema deberá soportar cualquier modo de emplazamiento de las funciones en los s En orden de permitir un libre emplazamiento de funciones en los s, la interoperabilidad deberá ser conseguida entre las funciones implantadas en la subestación, pero que físicamente residan en equipos de fabricantes diferentes. Las Funciones de aplicación de un SAS son supervisión y control, así como la protección y monitorización de los equipos primarios y de la red. Otras funciones (Funciones del sistema) están relacionadas con el propio sistema, por ejemplo la supervisión de las comunicaciones. Un ejemplo de subestación sencilla con su asignación de nodos lógicos y sus interrelaciones para realizar las distintas funciones de un SAS se muestra en la figura

4 4 Las funciones se pueden asignar a tres niveles : - Nivel de Subestación (Station Level) : Consiste en un ordenador para la subestación con una base de datos, pantallas para los operadores, interfaces de comunicaciones remotas, etc - Nivel de Posición (Bay Level) : Compuesto por las unidades de protección, control y medida de la posición - Nivel de Proceso (Process Level) : Compuesto por módulos remotos de I/O, sensores inteligentes, reles de actuación, etc Línea 1 Línea 2 TCTR SMV TCTR XCBR PTRC PDIF GOOSE PTRC Barras Alta XCBR Alta T1 PTRC PTRC Alta T2 XCBR XCBR TCTR TCTR Figura 2. Funciones y nodos lógicos Entre estos niveles y dentro de los mismos existen unos interfaces lógicos de comunicaciones que conforman la red de comunicaciones del SAS. Estos interfaces están representados en la figura 2 estando los números 2 y 10 fuera del alcance de la norma Estos interfaces lógicos deben implementarse dentro de interfaces físicos y para ello existen dos alternativas incluirlo en el bus de subestación en el que se encuentran los interfaces 1, 3, 6 y 9 o en el bus de proceso junto a los interfaces 4 y 5. Ejemplos de interfases usados en función del tipo de subestación (ver tabla1) D1 Subestación pequeña de distribución D2 Subestación mediana de distribución D1 Subestación grande de distribución 1026

5 5 T1 Subestación pequeña de trasmisión T2 Subestación grande de trasmisión X Interfase usado (X) Algunas veces se usa 10 7 Estación Ingeniería FCT. A 9 FCT. B Nivel 1,6 1, PRO CONTR CONTR PRO T T 2 2 Protección Remota 4,5 4,5 Nivel de Posición Protección Remota Interfases Remotos Sensores Reles Salida Nivel de Proceso Aparellaje Figura 3.Modelo de interfaces de un SAS Subest. Interfase usados Tipo D1 X X D2 X X (X) (X) X (X) X X D3 X X (X) (X) X X X X T1 X X X X X X X X T2 X X X X X X X X Estructuras de comunicaciones Tabla 1. Ejemplos de interfaces En función del tipo de subestación de que se trate el bus de subestación puede ser desde el que simplemente une las unidades de posición con el terminal remoto (D1) hasta los que requieren una estructura de bus duplicada (redundante) (T2) y dependiendo del tamaño puede requerir que este bus sea dividido en segmentos 1027

6 6 3.PROYECTO DE INGENIERIA o General La norma IEC61850 plantea una construcción teórica en la cual todos los elementos de la SE están modelizados. Tanto los dispositivos físicos (relés, dispositivos primarios,...) como las funciones de protección o control se normalizan y se pueden describir mediante un lenguaje apropiado. Para este fin la norma define el SCL (Substation Configuration language) que es un lenguaje del tipo XML donde se van a definir todos los elementos que forman la subestación. Con la descripción de la SE escrita en este formato, deberá ser posible obtener automáticamente como resultado de las herramientas de software adecuadas, la documentación necesaria para el diseño y la construcción, así como los ficheros de configuración de los equipos. Por lo tanto se definirían principalmente herramientas de Diseño y herramientas para configuración de equipos o Herramientas de Diseño Las herramientas de diseño permitirán seleccionar, ya desde la etapa de planificación (a nivel de unifilar básico) los diferentes elementos que compondrán el SAS con todas sus funcionalidades asociadas. Estas herramientas están soportadas en bases de datos que cuentan con las entradas necesarias para seleccionar las funciones y señales de proceso necesarias. Las salidas de estas herramientas facilitarán los listados de señales, lógicos, etc necesarios para definir la estructura, y configuración de un SAS, incluyendo los interfaces con el entorno de proceso y la documentación necesaria para la construcción, como listas de materiales, listas de cableado, etc. La entrada de datos se realizará de forma que un determinado parámetro se introduzca en un solo punto, encargándose el propio sistema de asignarlo automáticamente a los procesos donde se utilice, garantizándose así la consistencia de los datos. También se incluye la gestión de la información del sistema con respecto al conjunto de datos global, como : Identificador de la subestación, fecha, permisos de acceso, revisiones del software de los s, etc. o Herramientas de configuración El Configurador del Sistema es una herramienta independiente de los s, capaz de importar y exportar archivos de configuración definidos en IEC Esta información no tiene por que pertenecer a un solo sino que puede afectar a varios, es decir el ingeniero se conecta al sistema (no a un determinado) y añade o extrae información del mismo que puede tener relación con varios elementos a la vez. El configurador del sistema será también capaz de leer un archivo de especificación del sistema para, por ejemplo, ser la base para comenzar la ingeniería del sistema o para compararlo con una ingeniería terminada del sistema de la misma subestación. 1028

7 7 Así mismo esta herramienta realizara las labores de gestión, archivo y documentación del conjunto global general de parámetros. o Requerimientos de Ingeniería La ingeniería abarca los s y sus interfaces de comunicaciones, tanto entre ellos como con su entorno, de telecomunicaciones (Despacho central, teleprotección) como con el SCADA local o con el aparellaje externo. En este entorno de equipos intercomunicables y programables toma gran importancia los parámetros que son datos que controlan y dan soporte a la operación de los s. De estos parámetros existen dos categorías : Configuración y Operación, así como también se pueden dividir en tres tipos : Sistema, proceso y funcionales. Es necesario la definición de los criterios de lógicas, de funciones de protección y las señales que van ha intervenir en el sistema, así como la documentación especifica de cada uno de los equipos, aparellaje, etc. También entran en este ámbito tanto los conjuntos de parámetros de ajuste de las protecciones como de las funciones de control y las herramientas que nos van a permitir manejar estos parámetros o Proceso de diseño La estructura de la entrada de datos seguirá la arquitectura normal de la subestación (siguiendo los diferentes niveles) y bajo criterios y puntos de vista de ingeniería eléctrica, pudiéndose destacar tres grupos principales: -Estructura de la Subestación, definiendo los niveles de tensión, posiciones, equipos (aparellaje) y su conexionado. - s, descripción de los dispositivos de automatización, la conectividad, sus dispositivos y nodos lógicos y datos que se transfieren. -Comunicaciones, en donde se describirán las subredes, puntos de acceso, enrutadores (filtros de datos) y función de sincronización. La herramienta permitirá la entrada grafica de los datos construyéndose el unifilar a base de objetos que a su vez tienen asociados parámetros eléctricos, de configuración, etc así como la utilización de interrelaciones graficas entre ellos que irán asociadas a funcionalidades lógicas entre los elementos. Una vez introducidos los datos habremos obtenido un fichero XML descriptor de todos los datos de los la elementos que componen la subestación tanto de aparellaje como s, incluyendo su conectividad, parámetros, relaciones funcionales, etc y estaremos en disposición de obtener la lista de señales de proceso que es la base del funcionamiento del SAS y el resto de los documentos de diseño y construcción necesarios. El configurador es el encargado de transferir la lista de datos de proceso bien a un archivo o bien introducirla directamente en el SAS y sus s. Además será capaz de realizar la operación contraria o sea recuperar la lista de datos de un archivo o del propio SAS y sus s. o Documentación del proyecto 1029

8 8 Hardware documentation Parameter documentation CAD system Parameter documentation tool Circuit diagrams Configuration list Follow-up documentation terminal connection Signal list Relation by uniform identifiers Signal list Parameter lists Graphical displays cable list Function diagrams for external equipment Function diagrams for internal features Figura 4. Documentación de proyecto Documentación de Hardware : o Diagramas eléctricos para representar las conexiones del SAS con el PE (Esquemas desarrollados) o Listado de señales o Diagramas de función para esquemas externos Documentación de Parametrización o Lista de Configuración o Listado de Señales o Listado de parámetros o Representación grafica de pantallas, secuencias de menús, etc o Diagramas lógicos BIBLIOGRAFÍA INTERNATIONAL STANDARD IEC61850-Communication Networks and System en Subestations CORRESPONDENCIA Ricardo Orgaz Intekia Parque tecnologico Ed 210 (Zamudio) Telf r.orgaz@intekia.com 1030